通過(guò)一個(gè)字符的傳輸來(lái)講解網(wǎng)絡(luò)通信

我們開(kāi)發(fā)的面向普通用戶(hù)的應(yīng)用程序，目前看來(lái)幾乎都是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，也就是說(shuō)，用戶(hù)操作的應(yīng)用程序，不管是瀏覽器還是移動(dòng)App，核心請(qǐng)求都會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到后端的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。

這個(gè)數(shù)據(jù)中心可能是像微信這樣的自己建設(shè)的、在多個(gè)地區(qū)部署的大規(guī)模機(jī)房，也可能是阿里云這樣的云服務(wù)商提供的一個(gè)虛擬主機(jī)。

但是不管這個(gè)數(shù)據(jù)中心的大小，應(yīng)用程序都需要在運(yùn)行期和數(shù)據(jù)中心交互。比如我們?cè)谔詫毜乃阉骺螂S便輸入一個(gè)字符“a”，就會(huì)在屏幕上看到一大堆商品。那么我們的手機(jī)是如何通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)完成這一操作的？

這個(gè)字符如何穿越遙遠(yuǎn)的空間，從手機(jī)發(fā)送到淘寶的數(shù)據(jù)中心，在淘寶計(jì)算得到相關(guān)的結(jié)果，然后將結(jié)果再返回到我們的手機(jī)上，從而完成自己的互聯(lián)網(wǎng)之旅呢？

雖然我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候，很少要自己直接開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信代碼，服務(wù)器由Tomcat這樣的WEB容器管理網(wǎng)絡(luò)通信，服務(wù)間網(wǎng)絡(luò)通信通過(guò)Dubbo這樣的分布式服務(wù)框架完成網(wǎng)絡(luò)通信。

但是由于我們現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的應(yīng)用主要是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，它們構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)通信的問(wèn)題可能會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)刻。

了解網(wǎng)絡(luò)通信原理，了解互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用如何跨越龐大的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起來(lái)，對(duì)我們開(kāi)發(fā)一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)很有幫助，對(duì)我們解決系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各種因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信而出現(xiàn)的各種問(wèn)題更有幫助。

DNS

我們先從DNS說(shuō)起。

構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)Internet的最基本的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議Internet Protocol，簡(jiǎn)稱(chēng)IP協(xié)議。IP協(xié)議里面最重要的部分是IP地址，各種計(jì)算機(jī)設(shè)備之間能夠互相通信，首先要能夠找到彼此，IP地址就是互聯(lián)網(wǎng)的地址標(biāo)識(shí)。

手機(jī)上的淘寶App能夠訪(fǎng)問(wèn)淘寶的數(shù)據(jù)中心，就是知道了淘寶數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)請(qǐng)求接入的服務(wù)器的IP地址，然后建立網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)而處理請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

那么手機(jī)上的淘寶App如何知道數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的IP地址呢？當(dāng)然淘寶的工程師可以在App里寫(xiě)死這個(gè)IP地址，但是這樣做會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，比如影響編程的靈活性以及程序的可用性等。

事實(shí)上這個(gè)IP地址是通過(guò)DNS域名解析服務(wù)器得到的。當(dāng)我們打開(kāi)淘寶App的時(shí)候，淘寶要把App首頁(yè)加載進(jìn)來(lái)，這時(shí)候就需要連接域名服務(wù)器進(jìn)行域名解析，將xxx.taobao.com這樣的域名解析為一個(gè)IP地址，然后連接目標(biāo)服務(wù)器。

CDN

事實(shí)上DNS解析出來(lái)的IP地址，并不一定是淘寶數(shù)據(jù)中心的IP地址，也可能是淘寶CDN服務(wù)器的IP地址。

CDN是內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)Content Delivery Network的縮寫(xiě)。我們能夠用手機(jī)或者電腦上網(wǎng)，是因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)服務(wù)商為我們提供了互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，將我們的手機(jī)和電腦連接到互聯(lián)網(wǎng)上。App請(qǐng)求的數(shù)據(jù)最先到達(dá)的是運(yùn)營(yíng)服務(wù)商的機(jī)房，然后運(yùn)營(yíng)商通過(guò)自己建設(shè)的骨干網(wǎng)絡(luò)和交換節(jié)點(diǎn)，將我們請(qǐng)求數(shù)據(jù)的目的地址發(fā)往互聯(lián)網(wǎng)的任何地方。

為了提高用戶(hù)請(qǐng)求訪(fǎng)問(wèn)的速度，也為了降低數(shù)據(jù)中心的負(fù)載壓力，淘寶會(huì)在全國(guó)各地各個(gè)主要的運(yùn)營(yíng)服務(wù)商的接入機(jī)房中部署一些緩存服務(wù)器，緩存那些靜態(tài)的圖片、資源文件等，這些緩存服務(wù)器構(gòu)成了淘寶的CDN。

如果用戶(hù)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是靜態(tài)的資源，這些資源的URL通常以image.taobao.com之類(lèi)的二級(jí)域名進(jìn)行標(biāo)識(shí)，域名解析的時(shí)候就會(huì)解析為淘寶CDN的IP地址，請(qǐng)求先被CDN處理，如果CDN中有需要的靜態(tài)文件，就直接返回，如果沒(méi)有，CDN會(huì)將請(qǐng)求發(fā)送到淘寶的數(shù)據(jù)中心，CDN從淘寶數(shù)據(jù)中心獲得靜態(tài)文件后，一方面緩存在自己的服務(wù)器上，一方面將數(shù)據(jù)返回給用戶(hù)的App。

而如果請(qǐng)求的數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)的，比如要搜索關(guān)鍵詞為“a”的商品列表，請(qǐng)求的域名可能會(huì)是search.taobao.com這樣的二級(jí)域名，就會(huì)直接被DNS解析為淘寶的數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器IP地址，App請(qǐng)求發(fā)送到數(shù)據(jù)中心處理。

HTTP

不管發(fā)送到CDN還是數(shù)據(jù)中心，App請(qǐng)求都會(huì)以HTTP協(xié)議發(fā)送。

HTTP是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，當(dāng)我們進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信編程的時(shí)候，通常需要關(guān)注兩方面的內(nèi)容，一方面是應(yīng)用層的通信協(xié)議，主要是我們通信的數(shù)據(jù)如何編碼，既能使網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)去的數(shù)據(jù)攜帶必要的信息，又使通信的兩方都能正確識(shí)別這些數(shù)據(jù)，即通信雙方應(yīng)用程序需要約定一個(gè)數(shù)據(jù)編碼協(xié)議。另一方面就是網(wǎng)絡(luò)底層通信協(xié)議，即如何為網(wǎng)絡(luò)上需要通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)建立連接完成數(shù)據(jù)傳輸，目前互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最主要的就是TCP協(xié)議。

在TCP傳輸層協(xié)議層面，就是保證建立通信兩方的穩(wěn)定通信連接，將一方的數(shù)據(jù)以bit流的方式源源不斷地發(fā)送到另一方，至于這些數(shù)據(jù)代表什么意思，哪里是兩次請(qǐng)求的分界點(diǎn)，TCP協(xié)議統(tǒng)統(tǒng)不管，需要應(yīng)用層面自己解決。如果我們基于TCP協(xié)議自己開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，就必須解決這些問(wèn)題。而互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要在全球范圍為用戶(hù)提供服務(wù)，將全球的應(yīng)用和全球的用戶(hù)聯(lián)系在一起，需要一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，這個(gè)協(xié)議就是HTTP協(xié)議。

這張圖是HTTP的請(qǐng)求頭的例子，包括請(qǐng)求方法和請(qǐng)求頭參數(shù)。請(qǐng)求方法主要有GET、POST，這是我們最常用的兩種，此外還有DELETE、PUT、HEAD、TRACE等幾種方法；請(qǐng)求頭參數(shù)包括緩存控制Cache-Control、響應(yīng)過(guò)期時(shí)間Expires、Cookie等等。

HTTP請(qǐng)求如果是GET方法，那么就只有請(qǐng)求頭；如果是POST方法，在請(qǐng)求頭之后還有一個(gè)body部分，包含請(qǐng)求提交的內(nèi)容，HTTP會(huì)在請(qǐng)求頭的Content-Length參數(shù)聲明body的長(zhǎng)度。

這是HTTP響應(yīng)頭的例子，響應(yīng)頭和請(qǐng)求頭一樣包含各種參數(shù)，而status狀態(tài)碼聲明響應(yīng)狀態(tài)，狀態(tài)碼是200，表示響應(yīng)正常。

響應(yīng)狀態(tài)碼是3XX，表示請(qǐng)求被重定向，常用的302，表示請(qǐng)求被臨時(shí)重定向到新的URL，響應(yīng)頭中包含新的臨時(shí)URL，客戶(hù)端收到響應(yīng)后，重新請(qǐng)求這個(gè)新的URL；狀態(tài)碼是4XX，表示客戶(hù)端錯(cuò)誤，常見(jiàn)的403，表示請(qǐng)求未授權(quán)，被禁止訪(fǎng)問(wèn)，404表示請(qǐng)求的頁(yè)面不存在；狀態(tài)碼是5XX，表示服務(wù)器異常，常見(jiàn)的500請(qǐng)求未完成，502請(qǐng)求處理超時(shí)，503服務(wù)器過(guò)載。

如果響應(yīng)正常，那么在響應(yīng)頭之后就是響應(yīng)body，瀏覽器的響應(yīng)body通常是一個(gè)HTML頁(yè)面，App的響應(yīng)body通常是個(gè)JSON字符串。

TCP

應(yīng)用程序使用操作系統(tǒng)的socket接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，socket里封裝了TCP協(xié)議。應(yīng)用程序通過(guò)socket接口使用TCP協(xié)議完成網(wǎng)絡(luò)編程，socket或者TCP在應(yīng)用程序看就是一個(gè)底層通信協(xié)議，事實(shí)上，TCP僅僅是一個(gè)傳輸層協(xié)議，在傳輸層協(xié)議之下，還有網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議之下還有數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議之下還有物理層協(xié)議。

傳輸層協(xié)議TCP和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP共同構(gòu)成TCP/IP協(xié)議棧，成為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)最主要的通信協(xié)議。OSI開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義了7層，TCP/IP協(xié)議棧將OSI頂部三層協(xié)議應(yīng)用層、表示層、會(huì)話(huà)層合并為一個(gè)應(yīng)用層，HTTP協(xié)議就是TCP/IP協(xié)議棧中的應(yīng)用層協(xié)議。

物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的物理傳輸，計(jì)算機(jī)輸入輸出的只能是0 1這樣的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，但是在真正的通信線(xiàn)路里有光纖、電纜、無(wú)線(xiàn)各種設(shè)備。光信號(hào)和電信號(hào)，以及無(wú)線(xiàn)電磁信號(hào)在物理上是完全不同的，如何讓這些不同的設(shè)備能夠理解、處理相同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這就是物理層要解決的問(wèn)題。

數(shù)據(jù)鏈路層就是將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝后交給物理層進(jìn)行傳輸，主要就是將數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀，以幀為單位通過(guò)物理層進(jìn)行通信，有了幀，就可以在幀上進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，進(jìn)行流量控制。數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)定義幀的大小，這個(gè)大小也被稱(chēng)為最大傳輸單元。

像HTTP要在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)上添加一個(gè)HTTP頭一樣，數(shù)據(jù)鏈路層也會(huì)將封裝好的幀添加一個(gè)幀頭，幀頭里記錄的一個(gè)重要信息就是發(fā)送者和接受者的mac地址。mac地址是網(wǎng)卡的設(shè)備標(biāo)識(shí)符，是唯一的，數(shù)據(jù)幀通過(guò)這個(gè)信息確保數(shù)據(jù)送達(dá)到正確的目標(biāo)機(jī)器。

前面已經(jīng)提到，網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議使得互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用根據(jù)IP地址就能訪(fǎng)問(wèn)到淘寶的數(shù)據(jù)中心，請(qǐng)求離開(kāi)App后，到達(dá)運(yùn)營(yíng)服務(wù)商的交換機(jī)，交換機(jī)會(huì)根據(jù)這個(gè)IP地址進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，可能中間會(huì)經(jīng)過(guò)很多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，最后數(shù)據(jù)到達(dá)淘寶的服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)需要交給鏈路層進(jìn)行處理，而鏈路層幀的大小定義了最大傳輸單元，網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)包必須要小于最大傳輸單元才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，這個(gè)數(shù)據(jù)包也有一個(gè)IP頭，主要包括的就是發(fā)送者和接受者的IP地址。

IP協(xié)議不是一個(gè)可靠的通信協(xié)議，并不會(huì)確保數(shù)據(jù)一定送達(dá)。要保證通信的穩(wěn)定可靠，需要傳輸層協(xié)議TCP。TCP協(xié)議在傳輸正式數(shù)據(jù)前，會(huì)先建立連接，這就是著名的TCP三次握手。

App和服務(wù)器之間發(fā)送三次報(bào)文才會(huì)建立一個(gè)TCP連接，報(bào)文中的SYN表示請(qǐng)求建立連接，ACK表示確認(rèn)。App先發(fā)送 SYN=1，Seq=X的報(bào)文，表示請(qǐng)求建立連接，X是一個(gè)隨機(jī)數(shù)；淘寶服務(wù)器收到這個(gè)報(bào)文后，應(yīng)答SYN=1，ACK=X+1，Seq=Y的報(bào)文，表示同意建立連接；App收到這個(gè)報(bào)文后，檢查ACK的值為自己發(fā)送的Seq值+1，確認(rèn)建立連接，并發(fā)送ACK=Y+1的報(bào)文給服務(wù)器；服務(wù)器收到這個(gè)報(bào)文后檢查ACK值為自己發(fā)送的Seq值+1，確認(rèn)建立連接。至此，App和服務(wù)器建立起TCP連接，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。

TCP也會(huì)在數(shù)據(jù)包上添加TCP頭，TCP頭除了包含一些用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性和控制數(shù)據(jù)流量的信息外，還包含通信端口信息，一臺(tái)機(jī)器可能同時(shí)有很多進(jìn)程在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。如何使數(shù)據(jù)到達(dá)服務(wù)器后能發(fā)送給正確的進(jìn)程去處理，就需要靠通信端口進(jìn)行標(biāo)識(shí)了。HTTP默認(rèn)端口是80，當(dāng)然我們可以在啟動(dòng)HTTP應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)程的時(shí)候，隨便定義一個(gè)數(shù)字作為HTTP應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)程的監(jiān)聽(tīng)端口，但是App在請(qǐng)求的時(shí)候，必須在URL中包含這個(gè)端口，才能在構(gòu)建的TCP包中記錄這個(gè)端口，也才能在到達(dá)服務(wù)器后，被正確的HTTP服務(wù)器進(jìn)程處理。

如果我們以POST方法提交一個(gè)搜索請(qǐng)求給淘寶服務(wù)器，那么最終在數(shù)據(jù)鏈路層構(gòu)建出來(lái)的數(shù)據(jù)幀大概是這個(gè)樣子，這里假設(shè)IP數(shù)據(jù)包的大小沒(méi)有超過(guò)鏈路層的最大傳輸單元。

App要發(fā)送的數(shù)據(jù)只是key="a"這樣一個(gè)JSON字符串，每一層協(xié)議都會(huì)在上一層協(xié)議基礎(chǔ)上添加一個(gè)頭部信息，最后封裝成一個(gè)鏈路層的數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，發(fā)送給淘寶的服務(wù)器。淘寶的服務(wù)器在收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀后，在通信協(xié)議的每一層進(jìn)行校驗(yàn)檢查，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確后，將頭部信息刪除，再交給自己的上一層協(xié)議處理。HTTP應(yīng)用服務(wù)器在最上層，負(fù)責(zé)HTTP協(xié)議的處理，最后將key="a"這個(gè)JSON字符串交給淘寶工程師開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序處理。

LB（負(fù)載均衡）

HTTP請(qǐng)求到達(dá)淘寶數(shù)據(jù)中心的時(shí)候，事實(shí)上也并不是直接發(fā)送給搜索服務(wù)器處理。因?yàn)閷?duì)于淘寶這樣日活用戶(hù)數(shù)億的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，每時(shí)每刻都有大量的搜索請(qǐng)求到達(dá)數(shù)據(jù)中心，為了使這些海量的搜索請(qǐng)求都能得到及時(shí)處理，淘寶會(huì)部署一個(gè)由數(shù)千臺(tái)服務(wù)器組成的搜索服務(wù)器集群，共同為這些高并發(fā)的請(qǐng)求提供服務(wù)。

因此，搜索請(qǐng)求到達(dá)數(shù)據(jù)中心的時(shí)候，首先到達(dá)的是搜索服務(wù)器集群的負(fù)載均衡服務(wù)器，也就是說(shuō)，DNS解析出來(lái)的是負(fù)載均衡服務(wù)器的IP地址。然后，由負(fù)載均衡服務(wù)器將請(qǐng)求分發(fā)到搜索服務(wù)器集群中的某臺(tái)服務(wù)器上。

負(fù)載均衡服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)手段有很多種，淘寶這樣規(guī)模的應(yīng)用，通常使用Linux內(nèi)核支持的鏈路層負(fù)載均衡。

這種負(fù)載均衡模式也叫直接路由模式，在負(fù)載均衡服務(wù)器的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核拿到數(shù)據(jù)包后，直接修改數(shù)據(jù)幀中的mac地址，將其修改為搜索服務(wù)器集群中某個(gè)服務(wù)器的mac地址，然后將數(shù)據(jù)重新發(fā)送回服務(wù)器集群所在的局域網(wǎng)，這個(gè)數(shù)據(jù)幀就會(huì)被某個(gè)真實(shí)的搜索服務(wù)器接收到。

負(fù)載均衡服務(wù)器和集群內(nèi)的搜索服務(wù)器配置相同的虛擬IP地址，也就是說(shuō)，在網(wǎng)絡(luò)通信的IP層面，負(fù)載均衡服務(wù)器變更mac地址的操作是透明的，不影響TCP/IP的通信連接。所以真實(shí)的搜索服務(wù)器處理完搜索請(qǐng)求，發(fā)送應(yīng)答響應(yīng)的時(shí)候，就會(huì)直接發(fā)送回請(qǐng)求的App手機(jī)，不會(huì)再經(jīng)過(guò)負(fù)載均衡服務(wù)器。

總結(jié)

事實(shí)上，這個(gè)搜索字符“a”的互聯(lián)網(wǎng)之旅到這里還沒(méi)有結(jié)束。淘寶搜索服務(wù)器程序在收到這個(gè)搜索請(qǐng)求的時(shí)候，首先在本地緩存中查找是否有對(duì)應(yīng)的搜索結(jié)果。如果沒(méi)有，會(huì)將這個(gè)搜索請(qǐng)求，也就是這個(gè)字符發(fā)送給一個(gè)分布式緩存集群查找是否有對(duì)應(yīng)的搜索結(jié)果。如果還沒(méi)有，才會(huì)將這個(gè)請(qǐng)求發(fā)送給一個(gè)更大規(guī)模的搜索引擎集群去查找。

這些分布式緩存集群或者搜索引擎集群都需要通過(guò)RPC遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用的方式進(jìn)行調(diào)用請(qǐng)求，也就是需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行服務(wù)調(diào)用，這些網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也都是基于TCP協(xié)議進(jìn)行編程的。

對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，用戶(hù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)離開(kāi)手機(jī)通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)通信，最后到達(dá)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行最后的計(jì)算、處理，中間會(huì)經(jīng)過(guò)許多環(huán)節(jié)，事實(shí)上，這些環(huán)節(jié)就構(gòu)成了互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，所以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，可以將整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)串起來(lái)，對(duì)理解互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)很有幫助，在程序開(kāi)發(fā)、運(yùn)行過(guò)程中遇到各種網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問(wèn)題，也可以快速分析問(wèn)題原因，快速解決問(wèn)題。